基于自适应前馈控制的SCR烟气脱硝系统分析

张词秀 戴瑞 张词赟

摘  要：为了响应国家的环保要求，选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）烟气脱硝系统得到了广泛应用。大部分燃煤电厂都使用了SCR烟气脱硝技术，由于SCR烟气脱硝系统普遍存在反应时间较长、控制滞后、时变非线性等特点，本文提出了基于自適应前馈控制方法。利用现场实际运行数据，通过仿真实验对该方法进行验证，实验结果表明，与传统的PID控制方法相比，该方法在抗扰动能力、跟踪设定值方面均优于常规控制方案。

关键词：选择性催化还原法  烟气脱硝  前馈控制  自适应

中图分类号：TM621                           文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（c）-0076-03

Abstract： In order to respond to national environmental protection requirements， In order to meet the national environmental requirements， selective catalytic reduction （SCR） flue gas denitrification system has been widely used. Most coal-fired power plants use SCR Flue Gas Denitrification Technology. Because SCR Flue gas denitrification system has the characteristics of long reaction time， control lag and time-varying nonlinearity， this paper proposes an adaptive feedforward control method. The simulation results show that compared with the traditional PID control method， this method has better anti disturbance ability and tracking set value than the conventional control scheme.

Key Words： Selective catalytic reduction;Flue gas denitrification; Feedforward control; Adaptive

近年来，我国在发电、化工等行业在硫氧化物和粉尘排放控制方面已经取得了一定的成效，但是国家对于环境保护重视程度的不断提高，环保考核的指标也提高了，氮氧化物的控制成为了最关键的问题之一。在众多的脱硝技术中，选择性催化还原法（SCR：Selective Catalytic Reduction）由于其脱硝效率高，工艺技术成熟，选择性好，运行可靠且二次污染很小，所以是符合我国国情的电厂烟气脱硝技术，并且也是国内外应用最为广泛的烟气脱硝技术。

煤质、反应温度、催化剂活性、喷氨流量和烟气流量等因素影响SCR烟气脱硝系统的控制。其中，影响反硝化效率的主要原因就是氨流量。氨水过少会导致SCR出口的NOX浓度超标，环保指标达不到标准。过量的氨会增加氨的逸出量，导致NH3，水和SO2在催化剂的作用下产生反应。生成和NH4HSO4NH4HSO4 （NH4）2SO4（NH4）2SO4依附在催化剂表面，它将严重阻碍了催化剂活性的释放，并阻塞空气预热器，导致空气预热器的压差较高。所以，控制氨流量是SCR脱硝控制系统安全，平稳运行的重点。文章使用了SCR系统中氨注入的自适应前馈控制方法，阶跃响应仿真实验用于仿真验证和与传统控制方法的比较，在保证达标排放的同时避免了过量喷氨，将出口浓度控制在设定值。

1  SCR烟气脱硝概述

SCR烟气反硝化系统布置有高灰，SCR反应器布置在省煤器与空气预处理器之间，其温度经常处在300～500℃，SCR烟气脱硝系统的催化活性相对较强，更有利于氨气与氧氮化合物的REDOX反应。SCR烟气脱硝系统主要包括氨喷射格栅，催化剂，SCR反应器等。在省煤器的烟道出口中排除烟气，进入SCR反应器入口烟道的垂直接头处，并注入氨气与之融合，通过整流器直降，通过布置脱硝SCR反应器的催化剂REDOX反应，将烟道中的NOX 气体转化为氮气和水，达到烟气脱硝的目的[9]。

SCR烟气脱硝以NH3作为还原剂的，其主要化学反应为：

除主反应外，SCR脱硝过程中还会发生一些副反应：

它是一种具有强粘性和腐蚀性的材料，会使空气预生成器发生塞堵，并对设备的安全运行带来阻碍。所以，必须按时精准地调整氨的注入量，以减少不良反应的发生，同时保证标准的排放，提高机组运行的安全性和经济性。在实际应用，SCR烟气脱硝系统核心控制对象有两个，如下：

（1）保证反硝化效率，并在环保要求的范围内控制出口烟道气中NOX的浓度。

（2）保证氨气的逸出率不超过限制，以免氨气喷洒过多。SCR系统在工作中需要及时调整和完善。在保证脱硝效率的基础上，建立更精准的SCR氨气喷射系统

2  SCR烟气脱硝系统动态性能剖析

在实际运行中，SCR氨水量的控制使用前馈反馈PID闭环控制，如图1所示。

其中SPN为反应器出口烟NOX设定值，mg/m3。

滞后环节DELAY的传递函数为

式中：k為比例系数，T为惯性环节时间常数，DT为滞后时间常数。

增量型PID调节传递函数为：

式中：Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Kd为微分比例常数;Td为微分时间常数;FF（s）为前馈环节传递函数。限幅环节LM，输出限制于-M和+M之间。

串级PID控制系统可以迅速抵抗系统内部的干扰，并能及时顺应单位负荷的改变，因此被大量使用在受控对象中。前馈控制作用后控制稳定性和调节时间有显著变化，可以及时反映被调量的变化，从而克服大延迟环节的影响。前馈控制能够防止测量数据不准确，进而使控制系统发生故障。自适应前馈控制能够减少模型不确定性和参数变化的要求，随着机组负荷的变化而自动调节自身控制参数的控制方法。

3  阶跃响应仿真结果分析

将上文所述的前馈模型当做被控对象，使用现场采集的数据，来对控制系统进行完善。采用MATLAB/Simulink对优化控制系统的喷氨量进行仿真验证，在PID前馈控制的基础上，采用自适应前馈控制，在设置SCR入口NOX浓度为300mg/m3，出口NOX浓度设定值为50mg/m3，仿真结果如图2所示。

从图中可以看出，自适应前馈控制系统具有较好的控制效果，能够在设定附近控制出口处的NOX浓度。

4  结语

本文采用SCR系统喷氨自适应前馈控制方法，利用阶跃响应仿真实验对控制效果进行验证，结果表明，在保证达标排放的同时避免了过量喷氨，将出口浓度控制在设定值。

随着我国针对脱销系统排放要求的日益严格，SCR烟气脱硝体系已经成为我国化工系统、火力发电系统等应用的主要脱销方法与体系。传统的SCR烟气脱硝体系普遍存在NH3/NHx气体分布均匀性控制能力差等问题，对燃煤机组的安全性具有一定的影响。根据变量间的非线性关系将预测模型与MKPLS模型相结合，建立了节能减排背景下火电厂SCR烟气脱硝系统，该系统在效率上提高脱硝率，同时在环保上实现了喷氨量的精确控制。

参考文献

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